[发明专利]一种消除超极化气体中碱金属蒸气的装置

说明书

技术领域

本发明专利涉及自旋交换光泵及超极化气体核磁成像领域，更具体涉及用于小动物及人体成像的超极化气体收集及呼吸介入系统，适用于消除超极化气体中碱金属蒸气的装置系统。

背景技术

自旋交换光泵技术能够产生高度非热平衡极化的惰性气体，其核自旋极化度比相同条件下热极化的值大4~5个量级，因此，被称之为超极化气体。其作为一种气体造影剂，可以使磁共振信号得到极大地提高，并且弥补了传统磁共振成像不能获得生物体肺部信息的遗憾。

超极化气体磁共振成像技术基于自旋交换光泵的物理基础，它主要包括两个部分：超极化气体（例如，超极化的惰性气体氙）的产生和收集存储，以及超高灵敏度的气体磁共振成像。超极化气体的产生是通过工作气体（通常为氙+氮+氦的混合气体）中的氙与光泵至高度极化（极化度~100%）的碱金属原子自旋交换碰撞过程获得；磁共振成像主要是通过将超极化气体通过气体介入系统导入／吸入被测生物体内进行成像。

在高效率的自旋交换光泵过程中，要求使用工作气体与碱金属蒸气充分的混合。而在生物体超极化气体磁共振成像中，需要使用不含碱金属蒸气的完全纯净的超极化气体。超极化系统里，通常采用玻璃管道＋室温、或者U形管＋冰水杜瓦的方式，极大地减少了超极化气体中的碱金属蒸气含量，但是，超极化气体中仍然有微量残余的碱金属蒸气，其技术详情及存在问题的原因为：

玻璃管道＋室温技术，通常在光泵泡的出口连接一段较长的玻璃管道，利用玻璃管道位于远低于光泵泡工作温度的室温环境，使得流动的工作气体中的碱金属蒸气冷却、吸附到玻璃管道内壁上。但是，因为在超极化系统中使用玻璃管道的长度限制，以及室温通常不足够低，超极化气体中含有的碱金属蒸气不可能完全冷凝到玻璃内壁上；

U形管＋冰水杜瓦技术，是技术（1）的一个改进。将一个U形玻璃管放置于冰水杜瓦里，利用弯曲的U形玻璃管和冰水~273 K的温度环境，使得更多的碱金属蒸气脱离工作气体而冷凝在U形玻璃管内壁。但是，较高流速的工作气体仍然带走了少量的碱金属蒸气；

之后，少量的碱金属蒸气会随工作气体一起流入收集存储装置中，尽管超极化气体的收集存储装置通常工作于超低温的液氮温度，但是，存储的固态超极化氙在升华过程中还是会有一些碱金属蒸气混合在超极化气体中。

由于碱金属与水会剧烈反应放出热量，所以，即使非常地微量，其也可能会对被测生物体造成一定伤害。因此，从至关重要的保护生物体安全角度来讲，尽可能降低进入被测生物体的超极化气体中碱金属蒸气的含有量（一般低于0.5ng）需要更加有效的方法和技术。

本发明提出一种消除超极化气体中碱金属蒸气的装置，其具体的技术为：

使用螺旋玻璃管，增加了玻璃内壁的表面积，让随超极化气体流动的碱金属蒸气更多地接触到玻璃容器内壁；

利用超低温恒温槽（例如243 K）的温度，使得更加有效地冷凝碱金属蒸气；

使用循环二级冷凝碱金属蒸气的方法，二次纯化超极化气体。

由此，达到消除流动超极化气体中残余微量碱金属蒸气目的。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种消除超极化气体中碱金属蒸气的装置，其结构简单、操作方便。能够为生物体的气体磁共振成像提供作为造影剂的高纯度超极化气体。

为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：

其技术构思为：当包含微量碱金属蒸气的混合气体（例如超极化氙气+氮气+氦气）流经本发明装置时，由于本发明装置工作点在设置的超低温度（243 K），碱金属蒸气会冷凝在螺旋玻璃管内壁上，而其温度并不能冷凝混合气体中氙、氮和氦任一气体，从而达到碱金属蒸气与混合气体分离的目的。本发明装置中螺旋玻璃管与混合气体具有大的接触总面积，因此，能够使混合气体内含的碱金属蒸气有更多机会冷凝到处于超低温的螺旋玻璃管内壁上。然后，经过一级纯化的混合气体流出本发明装置，进入超极化氙收集系统，在液氮温度条件下，超极化氙气与混合气体中的氮气、氦气分离，并固化。当收集完成后，需对固态超极化氙进行升华，在此过程之后，升华的超极化气体再次通过本发明装置进行循环二级冷凝碱金属蒸气过程，进一步地纯化超极化气体，然后将不含碱金属蒸气、高度纯化的超极化气体输出本发明装置，进入收集气袋、并应用于生物体磁共振成像。